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电源管理芯片


便携产品电源管理芯片的设计技巧 随着便携产品日趋小巧轻薄,对电源管理芯片也提出更高的要求,诸如高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗等. 本文探讨了在便携产品电源设计的实际应用中需要注意的各方面问题. 便携产品的电源设计需要系统级思维,在开发手机、MP3、PDA、PMP、DSC 等由电池供电的低功耗产品时,如果电源系统设计 不合理,会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件

的选择、软件的设计以及功率分配架构等.同样,在系统设计中,也要 从节省电池能量的角度出发多加考虑.例如,现在便携产品的处理器一般都设有几种不同的工作状态,通过一系列不同的节能模 式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可减少对电池容量的消耗.当用户的系统不需要最大处理能力时,处理器就会进入电源消耗较少的 低功耗模式. 从便携式产品电源管理的发展趋势来看,需要考虑以下几个问题:1. 电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个 系统设计来考虑;2. 便携产品日趋小巧轻薄化,必需考虑电源系统体积小、 重量轻的问题;3. 选用电源管理芯片力求高集成度、 高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗,突破散热瓶颈,延长电池寿命;4. 选用具有新技术的新型电源芯片进行方案设计,这是保 证产品先进性的基本条件,也是便携产品电源管理的永恒追求. 便携产品常用电源管理芯片包括:低压差稳压器(LDO)、非常低压差稳压器(VLDO)、基于电感器储能的 DC/DC 转换器(降压 电路 Buck、升压电路 Boost、降压-升压变换器 Buck-Boost)、基于电容器储能的电荷泵、电池充电管理芯片、锂电池保护 IC. 选用电源管理芯片时应注意:选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品;选用工作频率高的芯片,以降低周边电路的应 用成本;选用封装小的芯片,以满足便携产品对体积的要求;选用技术支持好的生产厂家,方便解决应用设计中的问题;选用产品 资料齐全、样品和 DEMO 易于申请、能大量供货的芯片;选用性价比好的芯片. LDO 线性低压差稳压器 LDO 线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器,由于其本身存在 DC 无开关电压转换,所以它只能把输入电压降为更低的电 压.它最大的缺点是在热量管理方面,因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值. LDO 电流主通道在其内部是由一个 MOSFET 加一个过流检测电阻组成,肖特基二极管作反相保护,输出端的分压电阻取出返 馈电去控制 MOSFET 的流通电流大小,EN 使能端可从外部去控制它的工作状态,内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、 Power-OK、基准源等电路,实际上 LDO 已是一多电路集成的 SoC.LDO 的 ESD>4KV,HBM ESD>8KV. 低压差稳压器的应用象三端稳压一样简单方便,一般在输入、 输出端各加一个滤波电容器即可.电容器的材质对滤波效果有 明显影响,一定要选用低 ESR 的 X7R & X5R 陶瓷电容器. LDO 布线设计要点是考虑如何降低 PCB 板上的噪音和纹波,如何走好线是一个技巧加经验的工艺性细活,也是设计产品成功 的关键之一.图 1 说明了如何设计走线电路图,掌握好电流回流的节点,有效的控制和降低噪音和纹波.优化布线方案是值得参考 的.

图 1:LDO 布线电路方案 如果一个驱动图像处理器的 LDO 输入电源是从单节锂电池标称的 3.6V,在电流为 200mA 时输出 1.8V 电压,那么转换效率仅 为 50%,因此在手机中产生一些发热点,并缩短了电池工作时间.虽然就较大的输入与输出电压差而言,确实存在这些缺点,但是 当电压差较小时,情况就不同了.例如,如果电压从 1.5V 降至 1.2V,效率就变成了 80%. 当采用 1.5V 主电源并需要降压至 1.2V 为 DSP 内核供电时,开关稳压器就没有明显的优势了.实际上,开关稳压器不能用来 将 1.5V 电压降至 1.2V,因为无法完全提升 MOSFET(无论是在片内还是在片外).LDO 稳压器也无法完成这个任务,因为其压差通常 高于 300mV.

理想的解决方案是采用一个 VLDO 稳压器,输入电压范围接近 1V,其压差低于 300mV,内部基准接近 0.5V.这样的 VLDO 稳压器 可以很容易地将电压从 1.5V 降至 1.2V,转换效率为 80%.因为在这一电压上的功率级通常为 100mA 左右,那么 30mW 的功率损耗 是可以接受的.VLDO 的输出纹波可低于 1mVP-P.将 VLDO 作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波. 开关式 DC/DC 升降压稳压器 开关式 DC/DC 升降压稳压器按其功能分成 Buck 开关式 DC/DC 降压稳压器、 Boost 开关式 DC/DC 升压稳压器和根据锂电池的 电压从 4.2V 降低到 2.5V 能自动切换降升压功能的 Buck-Boost 开关式 DC/DC 升降压稳压器.当输入与输出的电压差较高时,开 关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题.它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达 96%的效率,因此极大地降低了转 换过程中的功率损失. Buck 开关式 DC/DC 降压稳压器是一种采用恒定频率、电流模式降压架构,内置主(P 沟道 MOSFET)和同步(N 沟道 MOSFET)开 关.PWM 控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本.选用开关频率高的 DC/DC 可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺 寸和容量,如超过 2MHz 的高开关频率.开关稳压器的缺点较小,通常可以用好的设计技术来克服.但是电感器的频率外泄干扰较 难避免,设计应用时对其 EMI 辐射需要考虑. 图 2 给出了 Buck 开关式 DC/DC 应用线路设计,需要注图中粗线的部分:粗线是大电流的通道;选用 MuRata、Tayo-Yuden、 TDK&AVX 品质优良、低 ESR 的 X7R & X5R 陶瓷电容器;在应用环境温度高,或低供电电压和高占空比条件下(如降压)工作,要考虑 器件的降温和散热.必须注意:SW vs. L1 距离<4mm;Cout vs. L1 距离<4mm;SW、Vin、Vout、GND 的线必须粗短. 要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器,需要小心安排 PCB 板的布局结构,所有的器件必需靠近 DC/DC,可以把 PCB 板按功能分成几块,如图 3 所示.1. 保持通路在 Vin、Vout 之间,Cin、Cout 接地很短,以降低噪音和干扰;2. R1、R2 和 CF 的反 馈成份必须保持靠近 VFB 反馈脚,以防噪音;3. 大面积地直接联接 2 脚和 Cin、Cout 的负端.

图 2:Buck 开关式 DC/DC 应用线路设计 DC/DC 应用举例:1. APS1006 为 MCU/DSP 核(Core)供电;2. APS1006 应用于电子矿灯(图 3);3. APS1046 应用于 0.8-1.8 微 硬盘供电(图 4);4. APS1006、APS4070 应用于智能手机(图 5).

图 3:APS1006 应用于电子矿灯

图 4:APS1046 应用于 0.8-1.8 微硬盘供电

图 5:APS1006、APS4070 在智能手机上的应用 电荷泵及其应用技巧 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、 逻辑电路、 比较控制器实现电压提升,采用电容器来贮存能量.电荷泵是无须电感的, 但需要外部电容器.工作于较高的频率,因此可使用小型陶瓷电容(1μ F),使空间占用最小,使用成本低.电荷泵仅用外部电容即 可提供±2 倍的输出电压.其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的 RDS(ON). 电荷泵转换器不使用电感,因此其辐射 EMI 可以忽略.输入端噪声可用一只小型电容滤除.它输出电压是工厂生产时精密予 置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的,因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数,以便为后端调整器提 供足够的活动空间.电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计.从电容式电荷泵内部结构来看,它实际上是一个片上系统. 电荷泵是一种无幅射的有效升压器件,它不使用电感器而使用电容器作为储能器件.在设计应用时需要注意电容器的容量 和材质对输出纹波的影响.外部电容器的容量关系到输出纹波,在固定的工作频率下,太小的电容容量,将使输出纹波增大.输出 纹波大小与电容器材料介质有关,外部电容器的材料类型关系到输出纹波.同一电荷泵,使用相同的容量和尺寸而不同材料类型 的电容器,输出纹波的结果.在工作频率固定,电容器容量相同的情况下,优良的材料介质,将有效地降低纹波.选用低 ESR 的 X7R & X5R 陶瓷电容器是一种比较好的选择. LCD Module(LCM)是目前 CP、MP3/MP4、PMP 需求量较大的产品,在有限的 PCB 面积上,需要按装 LCD 屏、数码相机的镜头和 闪光灯、音频 DAC 等器件,因此它需要封装很小的多芯片组合的电源模块(MCM),以减小电源 IC 所占 PCB 的面积,而手机产品又 要求这些电源 IC 对 RF 几乎无干扰. 电池充电管理芯片和锂电池保护 IC 锂电池充电 IC 是一个片上系统(SoC),它由读取使能微控制器、2 倍涓流充电控制器、电流环误差放大器、电压环误差放大 器、电压比较器、温度感测比较器、环路选择和多工驱动器、充电状态逻辑控制器、状态发生器、多工器、LED 信号发生器、

MOSFET、基准电压、电源开机复位、欠电压锁定、过流/短路保护等十多个不同功能的 IC 整合在一个晶元上.它是一个高度集 成、智能化芯片.锂电智能充电过程:涓流充-->恒流充-->恒压充-->电压检测,因此电路设计的关键是要做到:充分保护、充分 充电、自动监测、自动控制. 锂电池保护电路是封装在锂电池包内的,它由一颗锂电池保护 IC 和二颗 MOSFET 组成.在图 6 中,OD 代表过放电控制;OC 代 表过充电控制;P+、P-接充电器;B+、B-接锂电池.锂电池保护电路简单工作原理如下:正常装态 M1、M2 均导通;过充电时 M2 OC 脚由高电位转至低电位,电闸关闭,截止充电,实现过充电保护;充电电流方向 P+-->P-;过放电时 M1 OD 脚由高电位转至低电位, 电闸关闭,截止充放电,实现过放电保护;放电电流方向 P- -->P+. 图 6:锂电池保护电路 锂电池保护电路的 PCB 板是很小的,设计时必须注意:1. MOSFET 尽可能接近 B-、 P-;2. ESD 防护电容器尽可能接近 P+、 P-;3. 相邻线间距>0.25mm,通过电流大的线要放宽,地线加宽. 电源管理芯片的低功耗 OMAP 系统设计 随着半导体设计和制作工艺技术的不断提高,电路板上的期间运行速度将更快,体积将更小.供电系统要求更多的种类的电 压、更低的供电电压和更大的供电电流电源设计不再仅仅局限于提供电流、电压和监控温度,还必须诊断电源供应情况、灵活 设定每个输出电压参数.普通的模拟解决方案难以满足这些需求.数字电源的目标就是将电源转换与电源管理用数字方法集成 到单个芯片中,实现电源转换、控制和通信. 数字电源实现了数字和模拟技术的融合,具有很强的适应性和灵活性,具备直接监视、处理及适应系统条件的能力.数字电 源还可通过远程诊断确保持续的系统可靠性,实现故障管理、过压过流保护、自动冗余等功能.但是数字电源不比传统的模拟电 源效率更高,而且成本一般较高.目前数字电源需要大滤波器,这使其工作效率比模拟电源低. 本文介绍一种在嵌入式数字信号处理器(DSP)OMAP5912 上使用简单的数字电源实现系统低功耗设计的方法.使用 TI 公司的 电源转换和电压监控芯片 TPS65010 实现对 DSP 系统各种状态的检测.在不同状态下输出不同的供电电压,减小供电电流,实现整 个系统的低功耗运行.该设计方法适用于各种低功耗要求的手持电子设备. TPS65010 是 TI 公司推出的一款针对锂离子供电系统的电源和电池管理芯片.TPS65010 集成了 2 个开关电源转换器 Vmain 和 Vcore、2 个低压差电源转换器 LD01 和 LDO2 以及 1 个单体锂离子电池充电器,非常适合手持电子设备的应用要求.当 12 V 直 流电源适配器接通时,芯片无需开关电路.在实际使用中,Vmain 可以提供 2.5~3.3 V 电压,Vcore 可以提供 O.8~1.6 V 电压,LD01 和 LDO2 可以提供 1.8~6.5 V 电压.各个不同电压下的电流一般可以达到 400 mA,满足大部分手持设备的需求.可以通过 I2C 总 线对 TPS65010 的各种寄存器进行设置,也可以通过通用的引脚将重要的信息通知 TPS65010,例如可以通过 LOW_POWER 引脚使 TPS65010 输出低功耗模式下的工作电压. OMAP5912 是 TI 公司推出的嵌入式 DSP,具有双处理器结构,片内集成 ARM 和 C55 系列 DSP 处理器.TI925T 处理器基于 ARM9 核,用于控制外围设备.DSP 基于 TMS320C55X 核,用于数据和信号处理,提供 1 个 40 位和 1 个 16 位的算术逻辑单元(ALU).由于 DSP 采用了双 ALU 结构,大部分指令可以并行运行,工作频率达到 150 MHz,并且功耗更低.C55 和 ARM 可以联合仿真,也可以单独 仿真. OMAP5912 内部专门配置了超低功率设备(Ultra Low Power Device,ULPD).ULPD 模块内部结构如图 1 所示.

从图 1 可以看出,ULPD 模块主要由复位管理器、FIQ 管理器以及睡眠模式状态机组成.片内 ULPD 和 OMAP5912 芯片内部的复 位产生模块以及芯片 IDLE 和唤醒状态控制器相连接.片外 ULPD 的复位管理器负责检测上电复位和手动复位,并将片内的复位信 号输出;FIQ 管理器专门用于检测电池电压,一旦出现电池电压低于或高于系统要求,或者电池电源质量不高(纹波较大、过冲较 大、瞬间脉冲较大)等,FIQ 管理器将中断系统工作;睡眠模式状态机负责检测和输出不同的工作方式,在不同的工作方式下将提 供不同的电压和电流,从而降低系统功耗.共有 3 种睡眠模式:正常工作模式、Big Sleep 模式和 Deep Sleep 模式. 2 系统硬件结构 较完整的手持设备系统主要由 OMAP5912、TPS6501O、AD/DA、LCD、SDRAM、人机接口以及 Flash 组成.其硬件连接如图 2 所示.图中,DSP 是核心控制单元;AD 用于采集模拟信号,并将其转变成数字信号;DA 将数字信号转换成模拟信号;人机接口主要 包括键盘接口.Flash 保存 DSP 所需的程序,供 DSP 上电调用.此外,使用 DSP 的 HPI 接口连接到 PC 机.

TPS65010 和 OMAP5912 的连接是实现系统低功耗设计的关键,具体硬件连接如图 3 所示.TPS650lO 可以提供 OMAP5912 所需 的各种电压,但是核心运算单元需要的 CVDDA 以及重要外设需要的 DVDD4 由 TPS7620l 从 Vmain 电压转换得到.具体的 TPS76201 的硬件连接如图 4 所示.TPS7620l 将 Vmain 的 3.3V 电压转换成 1.6 V 提供给 OMAP,只要 Vmain 的电压不低于 1.8 V,TPS76201 都将稳定地输出 1.6 V 电压,以确保 OMAP 在任何情况下,即使是深度睡眠状态,核心运算单元和重要的外设都有稳定的电源保证. 注意,如果不要求 OMAP 系统的低功 耗设计,CVDDA 和 DVDD4 可以直接连接到 Vcore.

TPS65010 的 Vcore 输出 1.6 V 电压提供给 OMAP 的其他核,这些核电压在低功耗状态下均可以降低到 1.1 V.TPS65010 的 VLDO1 和 VLDO2 输出 2.75V 电压提供给 OMAP 的其他外设,这些电压和常规的 3.3 V 存在一定的电压差,但不影响数据传输.一般情况下, 高电平只要达到 2 V 以上就可以了;低功耗状态下,VLDO1 和 VLDO2 都降低到 1.1 V.使用 2 个 LDO 给不同的外设提供电压,是为 了在 Big Sleep 状态下关闭某些外设并同时能够使能其他外设.如果不进行低功耗设计,可以使用同一个 LDO 提供电压. TPS65010 的 I2C 总线连接到 OMAP,便于 OMAP 对 TPS65010 的寄存器进行设置.TPS65010 的 RESPWRON 引脚连接到 OMAP 的 Power_Reset 引脚,上电复位后由 TPS65010 复位 OMAP;TPS65010 的 LOWPWR 引脚连接到 OMAP 的 LOW_PWR 引脚,OMAP 进入低功耗 状态由该引脚通知 TPS65010,TPS65010 将设定的各种电压降低,从而降低系统功耗.

4 OMAP5912 的低功耗软件设计 OMAP5912 有 3 种工作模式,分别为正常工作模式、Big Sleep 模式和 Deep Sleep 模式.正常工作模式下,使能所有的内部时 钟和外部时钟以及引脚,此时系统功耗最大,TPS650lO 也按照正常工作方式供电.低功耗模式下,随时判断是否有芯片 IDLE 请求, 如果有则进入 Big Sleep 模式.在 Big Sleep 模式下,进一步判断是否有外部时钟请求,并根据情况进入 Deep Sleep 模式. 在系统正常工作方式下,如果不需要进行低功耗设计,以上软件无需加入到应用程序中.进行低功耗设计时,就需要对 OMAP 的各种工作状态进行判断,要在应用程序中加入 LOW_PWR 信号使能、关闭 DSP 核、激活并设置唤醒事件、关闭 ARM 核、激活并 设置深度睡眠等软件代码. 5 总 结 本文详细介绍了基于 TPS65010 和 OMAP5912 的低功耗系统设计.使用 TPS65010 的多个电源输出引脚给 OMAP 的不同单元供 电,以便在 OMAP 的不同工作模式下改变电压输出,降低系统功耗.OMAP 根据自身的软件运行情况,随时调整工作模式,并通知 TPS65010,使得软件和硬件在低功耗设计上得到互通.该设计方法适用于各种对功耗要求较高的电子设备. 高级电源管理芯片 FS1610 及其应用 Fsl610 是一款采用专利数字技术生产的高级电源管理控制器件,该器件可为数码相机、智能手机、个人 PDA 和笔记本电脑 等移动设备提供完全可编程的电源系统解决方案.与传统的电源管理方法相比,FSl610 能节约 20~40%的 PcB 面积,此外,其完全 可编程的专利数字技术.还能极大缩短研发周期.加快产品上市进程. 1 FSl610 的主要功能 IS1610 内部的电压检测主要针对的是 FSl610 芯片的供电输入,而器件的输出则包括 8 个高效开关电源和 3 个低功耗 LDO, 表 l 所列是其电源输出列表.需要注意的是,FSl610 的输出电压和电流都会受到输入电压、 电感、 电容以及外部诸多元件因素的 影响.

l 1 电源输出 FSl610 提供有 8 个开关电源.3 个 LDO 电源和 1 个始终开启的电源.对这些电源输出的控制一般有三种方式:其一是通过外 部的 PWREN 使能输人引控制;其二是通过串行命令在使用过程中根据具体情况进行控制;第三则是按照 EEPROM 中的设置程序来 执行. FS1610 的电源输出主要用于降压转换、升压转换、白光 LED 驱动、低压差稳压、负升压转换和电池供电等.图 I 所示是用 FSl610 来驱动白光 LED 的驱动电路.

1.2 电源输入 FSl610 的供电电压范围是 2.8~5.5 v.图 2 所示是 S1610 的供电输人以及 AC 适配器和电池之间的切换电路.其中 VMAIN 为 主电池比较器输入,用来直接监测电池的状态;VIN 为主电源供电输入;DBOUT 用于断开电池的输出,将它连接到一个外部的 P 通 道 MOSFET,可当检测到电池的无电状态(DB)或者 AC 适配器有输入时,由该输出置位断开电池和主电源的连接;BATBU 为备用电池 输人,一般情况下,为了能使芯片正常操作,在 BATBU 输入引脚上一定要有电压;VBAT 为始终开启的供电输出,可由内部开关控制, 当 SW[2]有效且稳定时,可将 SW[2]连接到 VBAT 来提供电压;否则由 BATBU 给 VBAT 提供电压.

1 3 其他功能 FSl610 内有一个非易失存储器 NVM(EEPROM),可用于保存启动的配置信息,这些信息包括通道电压、通道使能,禁止、个电 源的开关顺序以及实时时钟、看门狗、中断等信息. FSl610 可通过晶体时钟提供实时时钟的操作.而其可编程报警器则可向 CPU 发出中断.FSl610 片内还集成有一个看门狗定 时器,可通过 EEPROM 编程设置,其定时时间达 32s,时间间隔是 1ms.但是,由于达到定时时间时,芯片就会复位,所以,为了避免这 种情况的发生,主机必须在程序设置的定时周期结束之前,对 WDT 进行复位. FSl610 应由 32.768 kHz 晶振、或者具有合适的频率和电压的时钟源来为芯片提供内部时钟.而器件的 CLKOUT 输出引脚则 能为外部提供 32.768 kHz 的输出.FSl610 的 nEXTON 开关输人端一般连接到瞬间接触开关上,可用来控制芯片的开/关.FSl610 分别为不同类型的处理器设计有两个复位输出 nIRSTO 和 nRSTO,而手动复位输入 nRSTI 则主要用来启动一个硬件复位,以作为主 机 CPU 的系统复位信号. FSl610 在需要的情况下可提供中断,并向主机发出警报.这些警报包括低电压,电源通道故障,RTC 警报等.同时可以通过串 行命令来对中断进行操作. 2 Fsl610 的内部结构原理 图 3 是 FSl610 模块的内部结构示意图.由图可见,FSl610 以电源管理控制器为核心,可为外部设备提供丰富的电源通道.另 外,配合电源管理.FSl610 还提供有非易失性存储器 NVM、实时时钟 RTC、看门狗定时器 WDT、中断、复位等系统控制模块.

3 工作模式 FS1610 有两种操作模式,分别为串行模式和独立模式.FSl610 芯片片可通过 I2C、 和 ART 串口来接受主机的控制和管理, SPI 也可以在启动后根据 EEPROM 加载的参数独立工作.低功耗是 FSl610 的最突出优势之一.该芯片上的各个功能模块在不需要操作 时都可以关闭.已进人休眠状态.FSl610 会根据不同的环境条件在 5 种电源状态下自动切换,以使功耗最小化.这 5 种状态分别为: 无电(NOPOWER)状态、关断(SHUTDOWN)状态(即 SD 状态)、就绪(READY)状态、工作(ACTIVE)状态、低功耗(LOWPOWER)状态. 设计时.可以对 FS31610 的多路电源进行灵活的配置和控制.除了对单个电源通道的开/关操作之外.还可以对电源通道进行 分组,然后对各电源组进行操作.电源的启动和关闭顺序,也可以设置存储在 EEPROM 中,以便主机在操作的过程中来控制. FSl610 对芯片提供有可能出现的各种故障的监测和管理.这些监测包括:受监测电源正常状态、 电源通道故障、 电池电压和 备用电池监测、热关断、中断.此外,FS1610 芯片还可根据 EEPROM 中的设置,对监测到的不同状态进行不同的操作. 4 基于 FSl6l0 的导航仪供电系统 FSl610 的多电源输出和电源管理功能在便携式设备中应用非常方便.图 4 是 FSl610 电源管理控制芯片在基于 Sumsang 公司 的 ARM9 处理器 S3C2440 的导航仪上的供电电路. 根据系统的设计要求,该导航仪除了具有基本的 GPS 导航功能外.还需要高分辨率的液晶屏支持.为此,该系统选用的是 LCD 模块,该模块是已经包含了背光和控制电路的液晶屏,但需要+3.3 v 和+5 v 供电.表 2 所列出是该导航仪系统的电源需求.

由于该导航仪通常是采用电池供电,故需要最小化的功率消耗,而且要求各外设都要由系统控制.在图 4 中用 FSl610 对导航 仪系统进行供电的电源分配方案中,需要注意的是,LCD 背光需要 400mA 电流的+5v 供电,而 FSl610 的升压电路不能提供这么大 的电流,因此,设计时应用一个外加的升压电路来提供 LCD 的背光电源.

5 结束语 本文介绍了高级电源管理控制芯片 FS1610 的原理和功能,给出了一个 FSl610 在基于 ARM9 处理器 S3C2440 设计的导航仪上 的应用方案.采用该方案进行供电的导航仪,不但可以自由控制各个模块电源的开和关,而且可以在不需要的时候关闭模块,以 便最小化整个系统的功耗.与传统的方法相比,选用 FSl610 不但可以明显节省电路板面积.提供更多的通道电压.而且控制也更 加灵活 电源管理芯片在以太网供电中的应用 什么是以太网供电? 术语"以太网"是指 IEEE802.3 标准涵盖的各种局域网 (LAN) 系统.以太网协议是在工作场所,通过高速数据电缆将台式 PC 与中央文件服务器连接起来的协议.任何连接到以太网端口的设备,如数据终端、无线接入点、网络摄像机 (web cam) 或网 络电话等,都需要通过电池或独立 AC 插座为自己供电.而更为优雅的方法则是能够向连接到以太网的任何设备同时传输电源 和数据.如果这种传输方式能够利用现有的以太网布线,则可以保持 100% 的历史兼容性,那将再好不过了.这正是 IEEE802.3af 规范中定义的以太网供电 (PoE) 标准所提供的内容.这一新标准于 2003 年 6 月由 IEEE 批准,是通过以太网 发送和接收电源信号的标准.PoE 的优点在于: 由于每个设备只需要一组连线,因此每个设备的布线更为简单和便宜; 免去了 AC 插座和适配器,使工作环境更安全、整洁,成本也更 低; 可轻易地将设备从一处移至另一处; 无间断电源可确保在 AC 电源 断电时继续为设备供电;可对连接到以太网的设备进行远程监控. 正是这些优点使得以太网供电成为一项从本质上改变了低功耗设备供电方式的全新技术.但就目前而言,推动 PoE 总有效 市场增长 (TAM, Total Available Market) 的主力是两类用电设备:无线 LAN 接入点和 VoIP(网络语音)电话.至 2007 年,前 者的复合年增长率 (CAGR) 为 38%,达 1500 万个(来源:iSuppli),而支持后者的企业网预计将达到 300 万个.对用电设备的 这种需求反过来将推动现有以太网交换机向支持 PoE 功能转移的需求.这是通过使用"中继"(midspan) 来实现的,如图 1 所示. 这些单元的增长至 2007 年预计将达到 800 万,增长率为 68%. 在图 1 的示例中,源头的以太网交换机通过一个"中继"以太网供电集线器将电源"注入"局域网的双绞线电缆来提供 PoE 功 能.新的以太网交换机将集成该"中继",从而实现向通过高速数据电缆连接的用电设备 (PD) 供电.这些用电设备可以是网络摄 像机 (web cam)、网络语音电话、无线局域网接入点和其他电器设备.不间断电源 (UPS) 将提供备用电源,以防市电断电. 电源管理器件用于转换电压和电流,可以用在以太网交换机中,以太网供电"中继"集线器中,以及位于用电设备中的 DC-DC 转换单元中.下面各段将对这些功能中的每个功能分别进行讨论.

电源管理器件在以太网交换机中的应用 最新的以太网交换机可以通过 24 或 48 个独立端口向用电设备提供 PoE 连接性,并与非 PoE 系统保持历史兼容.每台 用电设备均由其自己的 48V 电源供电,每台用电设备的最大允许功耗为 15.4W,以太网交换机可以对每台设备的用电单独进行管 理. IEEE802.3af PoE 规范最多允许在每台用电设备处消耗大约 13W 的功率,而以太网交换机提供的最大 15.4W 的功率是为 了弥补长电缆带来的一定程度的损耗.48V 电源实际上允许在用电设备端使用 36~ 57V 之间的任意电压.电压要求大约为最大 开关电压的 2 倍(应对开关尖脉冲等的经验法则),要求电源开关必须采用额定 VDS 为 100V 的分立 MOSFET. 图 2 显示了一个 PoE 控制器,通过分立 MOSFET 控制四个端口.在该例中,使用的是飞利浦半导体公司的四个 PHT4NQ10T 器 件.这种配置相当于每个以太网交换机或中继采用 12 个 IC 和 48 个 MOSFET.到 2007 年,用于"中继"电源管理的 MOSFET 的 总有效市场容量 (TAM) 将达到 5700 万美元(3 亿 8 千 4 百万只),而 IC 将达到 4800 万美元(9600 万片). PoE 控制器通常指的是"热插拔"(Hot Swap) 控制器.这些 IC 的功能包括: 分别控制四个独立的 PoE 端口; 检测有效用电设备的连接; (使用低阻值的检测电阻)监测 MOSFET 的稳态电流; 当一个用电设备第一次连接到个端口时,控制浪涌电流和 MOSFET 功耗; 具备欠流断开检测功能以确定用电设备是否已断开连接. 在正常工作情况下,当一个端口已经供电并且用电设备的旁路电容已经充电到端口电压时,外部 MOSFET 的功耗非常低.这 意味着较小的 MOSFET 就能完成这个功能.然而,IEEE802.3af 的其他要求,例如加电时的浪涌电流以及不兼容的用电设备连接 到端口的风险,要求 MOSFET 能承受很大的瞬态功耗.正是基于这些原因,才采用了分立 MOSFET 而不是集成方案. 对以太网交换机中的 MOSFET 的进一步要求是其在关断状态下的漏电流要非常低.IEEE802.3af 要求每端口绝对最大漏电 流不得高于 12 A,而且这个要求还包括了除 MOSFET 之外其他可能存在的保护电路的泄漏途径.飞利浦半导体公司的 MOSFET 就是为满足此项要求而设计的,其最大漏电流仅为 1 A.

电源管理器件在用电设备 (PD) 中的应用 用电设备的框图如图 3 所示.来自以太网电缆的直流电源通过二极管桥式整流器恢复,因此消除了用电设备电路电压极性 加反的可能性.当一个设备连接到一个 PoE 端口时,以太网交换机就执行一个"发现"程序以确定该设备是否为可接受以太网供 电的设备,还是不支持 PoE 的老式设备.当用电设备断开时,也会执行"发现"程序.之所以需要这个发现程序是因为高电压 (48V) 连到许多传统设备上会造成设备损毁.有鉴于此,当电压与已有的传统设备兼容时,就会执行"发现"程序,只有在"发现" 符合要求时才会提供高电压直流电源.IEEE802.3af 的"发现"机制是基于特性阻抗的检测来实现的.

通过确定从每个端口吸收的功率,供电设备 (PSE) 可辅助系统电源管理协议,根据系统供电的输出能力,确定其所能支持 的用电设备总数.为了实现这种电源管理,IEEE802.3af 标准中加入了一种称为"分类"的可选方法."分类"方法可以让用电设备 向以太网交换机或"中继"集线器报告其最大功率需求,从而使电源管理协议能将未使用的功率分配给其他端口,充分利用已安 装的电源容量. 接口控制器的功能是作为用电设备电路主电路的"通断开关",基于一个 100V 的 N 沟道 MOSFET 构建.仅当额定 48V 电 源位于可接受容限以内时,接口控制器才会允许用电设备连接.此外,接口控制器通常还提供浪涌电流限制和故障电流限制功 能.MOSFET 的浪涌性能则与上面以太网交换机应用中的 100V MOSFET 相当. 一旦"发现"过程完成,且接口控制器确定电源电压在容许范围内时,接口控制器的 MOSFET 就会开启,电源就施加到隔离 DC-DC 转换器.隔离 DC-DC 转换器需能在用电设备前端和用电设备电路的其他部分之间提供 1500V 的隔离(这是一种安全特 性),并向用电设备电路的其他部分提供一个或多个低压直流电压,最大总功耗为 13W.该转换器的输入额定电压为 48V,采用通 用的前向和返弛拓扑结构.这是常用的 DC-DC 转换器结构,与低功率电信电源极为相似.有多种控制器 IC 可以满足这一需求. 如飞利浦半导体公司 GREENCHIPTM 系列中的开关电源 (SMPS) 控制器 IC 芯片 TEA1502. 据 VDC 预测,到 2007 年,高达 4.96 亿个端口将采用电源管理芯片.由于并不是所有的端口都会被利用到,当使用率为 50% 时,用电设备的总有效市场容量将为 2.48 亿. 小结 综上所述,PoE 是一项将改变设备供电方式的全新技术.假以时日,PoE 将成为很多设备所采用的普及技术.正是电源管理 器件(既包括 IC 也包括 MOSFET)成就了这种改变. 基于电源管理芯片 VB409 的无变压器供电电源设计 在小型的 MCU 应用系统中,采用 AC 220V 供电时,一般要使用变压器对电源进行处理,将高压交流电降到低压后再进行直流 处理,或者将交流电变为高压直流电后再进行高频变换,以得到 MCU 系统的工作电源.这对于结构没有特殊要求的系统,在设计上 属于常规的问题,使用上述的线性电源技术或者开关电源技术,均能得到方便的解决.但是有些 MCU 应用系统在体积上要求极其 小巧,甚至不能安放变压器,所以常规的电源处理就不能满足其要求了.因此,使用能够直接接收高压交流电并将其直接变换成 低压直流的技术,是最佳的设计选择.VB409 的出现有望实现这一设计思路. 1 VB409 概述

VB409 是 ST 公司推出的电源处理产品.其 PENTAWATTHV(022Y)封装形式的产品大小与普通 TO220 封装的 7805 相近,只是引 出脚为 5 个;还有一种 PowerSO10 封装的产品是 10 脚表面贴装式 IC.输入端可以直接接入 AC 220 V,且输入端允许的最高输入 电压为 AC 580 V.输出部分有 2 个: 一个是最终输出 OUTPUT1,为+5V;另一个是芯片的中间输出 OUTPUT2,典型值为 16 V.对负载 的供电能力为:OUTPUT1 最大为 80 mA,OUTPUT2 最大为 25mA.图 1 为 VB409 的内部结构图.

图 1 VB409 内部结构图 VB409 采取的是导通角技术,即在交流电的一个周期中,根据负载的电流大小,自动调整每个周期的导通时间.也就是说,只 在每个正周期的低压部分,从电源吸收电能,因此极大地降低了功耗,电流输出能力是线性电源的 3 倍.其工作波形如图 2 所示.

图 2 VB409 的工作波形 从图 1 中还可以看出,VB409 还有输入、输出电流的限制和热保护功能.其作用在于:一方面当输出短路时限制电流的输出; 另一方面当过载时关断芯片. 需要说明的是,OUTPUT1 的输出范围为 4.75~5.25 V,典型值为 5 V,负载电流每增大 1 mA,对输出影响为 0.5mV,精度是比较 高的;而 OUTPUT2 的输出范围为 8~16V.因此,OUTPUT2 的输出比较适合于作为继电器一类的驱动电源使用.如果想作为放大器的 工作电源,则需要再进行一次降压式稳压. 2 VB409 构成的电源系统 图 3 为 VB409 组成的电源电路.

图 3 VB409 组成的电源电路 图 3 中,D1 实现半波整流,C2 为涤纶电容,C3 为高压电解电容,R1、R2 为金属膜 1/4 W 电阻,C1 耐压为 25 V. 图 1 中,Vref1 的电压为 12V 左右,Threshold 端的电压高于 Vref1 将关断输入向输出的传送,Threshold 端的工作电流最小 为 30μ A.因此,R1 与 R2 之和决定工作电流,R1 与 R2 之比确定加在 Threshold 端的最高电压.图 2 中,t1、 所处的位置对应的 t2 输入电压 V1 即关断的门限电压值.这个值的大小为: V1=Vref1. V1 是变化的交流电,变化规律为:

在这里,将 VIN 等比例缩小至 V1,可以提高期间的工作可靠性. 当输入电压为 AC 220 V,Threshold 端的工作电流约为 120 μ A 时,R1+R2=1.86 MΩ .按此参数设置,当输入电压为 AC 60 V 时,Threshold 端的工作电流约为 30 μ A,还能够正常工作.同理,适当配置 R1 和 R2 的值,还可以确定输入电压的有效范围,VB409 允许最小输入电压可至 12V.C1 值的确定参见图 1 和图 2. C1 提供输入短路关断时维持输出电路的电压,同时提供 OUTPUT2 较为稳定的输出.由于充、放电时间变慢,C1 的值越 大,OUTPUT2 的输出电压值越低,但是能够提供较大的输出电流;反之,C1 的值小,充、放电时间越快,OUTPUT2 的输出电压值也就 越高,但是能够提供的输出电流变小.一般 C1 的值在 47~220 μ F 之间选择,典型值为 100 μ F. 3 实例 MCU 应用系统 使用 VB409 为主电源供给 MCU 应用系统,在设计之前,应首先估算系统的 5 V 电源的总功耗.计算时要将灌电流、拉电流一 并计算. 图 4 为笔者设计的一个典型应用系统的原理图.图 4 为测量电能并在 LCD 上显示的 MCU 应用系统.CPU 采用 AT89C55WD,最大 耗电量为 20 mA(若采用 STC89C58RD+,则耗电量可降至 9 mA 左右);LCD 选用 SO12864,采用 COG 式,连同背光最大耗电为 20mA; 功率/电能计量芯片 CS5460 的最大耗电量为 5 mA,加上复位、 键盘等最大耗电量小于 50 mA;继电器输出没有画出,耗电量为 12mA. 因此,完全可以使用 VB409 供电,且系统体积小,完全可以放置在 LCD 背后.

图 4 一个典型应用系统原理图 结语 由于没有变压器,因此就失去了电流的绝缘,所以采用 VB409 作为供电电源,要用在对电流绝缘没有要求的场合,例如洗衣 机、中央供热、功率计量等.对于需要电流绝缘的场合,需在供电输入端加一个 1∶1 的小型隔离变压器,因为输入功率低,所以 变压器的尺寸可以做得比较小,同时变压器的输出还可以使用电阻分压后再输入到 VB409 中.


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